要不說(shuō)兔子家的演習(xí)總能爆出來(lái)黑科技嘛，前有中泰“突擊-2024”聯(lián)訓(xùn)解放軍遛機(jī)器狗，后有中新“合作-2024”聯(lián)訓(xùn)亮相爬墻機(jī)器人。

在這場(chǎng)演習(xí)中，中方隊(duì)員們利用爬墻偵察機(jī)器人精準(zhǔn)掌握暴恐分子的人數(shù)、位置和動(dòng)向，那這款可沿樓宇墻面爬行，進(jìn)行抵近式隱蔽偵察的特種機(jī)器人到底是怎么飛檐走壁的呢？

展開(kāi)全文

爬墻機(jī)器人其實(shí)有兩大核心，一是能在各種墻面上如履平地的吸附技術(shù)，二是能在垂直與水平面自由切換的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。

吸附是爬墻機(jī)器人首先要解決的難題，無(wú)論是冷冰的玻璃、高聳的水泥墻面，還是光滑的瓷磚、甚至可能帶有弧度的金屬表層上，它必須在都能穩(wěn)定停留。

我們知道，人類攀巖手腳都得找凸起點(diǎn)，壁虎用爪子上的微小絨毛結(jié)構(gòu)來(lái)增大摩擦力，機(jī)器人要想趴在墻上，就需要一種強(qiáng)大的、可調(diào)節(jié)的吸附系統(tǒng)。

當(dāng)前較為成熟的方案是負(fù)壓吸附，通過(guò)特殊設(shè)計(jì)的密封墊圈和微型真空泵，機(jī)器人在緊貼墻面時(shí)能迅速抽走接觸面與外界之間的空氣。

當(dāng)這個(gè)個(gè)密封空間內(nèi)的空氣被部分抽走后，內(nèi)部氣壓低于外部大氣壓，外面更高的氣壓就會(huì)“迫不及待”地把接觸面緊緊壓在一起。

你可以想象一下，拿一個(gè)帶有吸盤的掛鉤，用力壓在光滑的墻面或玻璃上，然后輕輕一拉，掛鉤就很難拉下來(lái)了，這種常見(jiàn)的生活現(xiàn)象正是負(fù)壓吸附的基本原理。

而爬墻機(jī)器人就是利用這個(gè)原理在垂直墻面上穩(wěn)穩(wěn)地“站”住的，負(fù)壓吸附說(shuō)起來(lái)并不復(fù)雜，本質(zhì)是利用壓力差造成的吸附力。

▲某型爬墻機(jī)器人內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖，中間圓形部分即為負(fù)壓吸附裝置

要在現(xiàn)實(shí)中實(shí)現(xiàn)這種吸附效果，爬墻機(jī)器人需要幾個(gè)關(guān)鍵部件，首先是特殊設(shè)計(jì)的“吸附模塊”，通常包括帶有密封墊圈的吸盤結(jié)構(gòu)。

這個(gè)墊圈必須有良好的彈性和適應(yīng)性，能夠與墻面緊密貼合，把空氣密封起來(lái)。由于墻面材質(zhì)千差萬(wàn)別，有的很光滑，有的粗糙不平，如果密封性能不好，空氣容易漏進(jìn)去，負(fù)壓就無(wú)法維持。

比如，當(dāng)爬墻機(jī)器人攀爬玻璃幕墻時(shí)，平滑表面有利于貼合，但若有水滴或灰塵，就會(huì)影響密封效果，這時(shí)控制系統(tǒng)可能會(huì)通過(guò)傳感器檢測(cè)吸附力降低，從而增加抽氣力度，或命令機(jī)器人稍作移動(dòng)，選取更干凈的接觸點(diǎn)。

當(dāng)面對(duì)粗糙的混凝土表面，柔性墊圈的彈性就起關(guān)鍵作用，它能在凸凹不平的表面中擠壓出較好的貼合面。

如果仍有縫隙，機(jī)器人控制系統(tǒng)可能會(huì)讓吸附點(diǎn)稍微移動(dòng)幾毫米，尋找最佳位置。有的設(shè)計(jì)甚至允許吸附模塊進(jìn)行微小的旋轉(zhuǎn)或偏移，以此找到表面紋理中的相對(duì)平整區(qū)域。

因此，吸附模塊的材料選擇很重要，比較常用的方案是采用柔性、耐磨、還能適應(yīng)輕微表面不平度的橡膠或聚合物材料。

同時(shí)，墊圈的設(shè)計(jì)也會(huì)考慮到不同表面的情況，比如設(shè)計(jì)成環(huán)形或多段獨(dú)立壓緊點(diǎn)，以便在微小縫隙和凹凸中仍能保證相對(duì)嚴(yán)實(shí)的密封。

▲某種負(fù)壓吸附裝置

還有一種思路是分區(qū)吸附，這種不是只有一個(gè)大吸盤，而是使用多個(gè)小型吸附模塊組成的陣列。這樣萬(wàn)一其中某一模塊在某點(diǎn)的吸附效果不好，其他模塊還可以分擔(dān)壓力，整體依然保持足夠的附著力。

同時(shí)，多模塊設(shè)計(jì)也方便機(jī)器人進(jìn)行分區(qū)管理，通過(guò)智能控制，讓每個(gè)小吸附單元各司其職，針對(duì)局部減壓或泄漏做精準(zhǔn)補(bǔ)償，這樣“吸盤陣列”就能像一個(gè)團(tuán)隊(duì)共同努力抓牢墻面。

有了密封結(jié)構(gòu)，接下來(lái)就要排氣了，在機(jī)器人內(nèi)部，會(huì)安裝微型真空泵或者氣流抽取裝置，當(dāng)機(jī)器人將吸附模塊貼上墻面，它的控制系統(tǒng)會(huì)啟動(dòng)這些泵，把吸附模塊內(nèi)部的空氣不斷抽出，讓內(nèi)部氣壓下降。

再就是為了解決能耗和噪音問(wèn)題，爬墻機(jī)器人往往還要在內(nèi)部設(shè)計(jì)了一個(gè)循環(huán)系統(tǒng)，把部分抽出的空氣導(dǎo)向內(nèi)部的特殊艙室，再利用控制閥門和精密調(diào)節(jié)，讓內(nèi)外氣壓在微觀層面處于平衡狀態(tài)，減少頻繁抽氣的需要。

這樣既能降低能耗，又有利于減小噪音，保持偵察等隱蔽任務(wù)的靜音要求，像現(xiàn)在做得比較好的負(fù)壓吸附系統(tǒng)可以使得機(jī)器人噪音控制在50分貝以下，非常利于軍事偵察任務(wù)，在此次聯(lián)合訓(xùn)練中亮相的克萊明爬墻偵察機(jī)器人，使用的應(yīng)該就是負(fù)壓吸附方式，

除了負(fù)壓吸附，還有磁性吸附，主要是通過(guò)調(diào)節(jié)電流強(qiáng)弱改變磁力大小，使機(jī)器人像一只掌握磁場(chǎng)的機(jī)械昆蟲(chóng)一樣，牢牢貼在在具有金屬成分的墻體上，不過(guò)這種方式局限性比較大，畢竟要是墻面不具備磁性，磁力再?gòu)?qiáng)也無(wú)濟(jì)于事。

另有一些仿生學(xué)思路試圖模仿壁虎腳掌的分形結(jié)構(gòu)，讓機(jī)器人足部使用大量微納米級(jí)細(xì)纖維與墻面產(chǎn)生范德華力，實(shí)現(xiàn)如同壁虎般的“干粘附”效果，但這類技術(shù)尚在探索階段，所以，目前較為成熟和通用的仍是負(fù)壓式吸附。

有了吸附能力，機(jī)器人便能呆在墻上，但這只是第一步，接下來(lái)它還需要在墻面上移動(dòng)，這就要處理重力方向與傳統(tǒng)地面運(yùn)動(dòng)大不相同的挑戰(zhàn)了。

地面行走中，輪式或履帶式的移動(dòng)方式已經(jīng)很成熟，可在墻上，輪子貼著垂直面轉(zhuǎn)動(dòng)，阻力、摩擦力和平衡感都與平時(shí)截然不同。

我們知道，當(dāng)你在攀巖時(shí)，一般會(huì)先用一只手抓牢巖壁，再抬起另一只手尋找下一個(gè)支點(diǎn)，然后換腳，再換手，在這個(gè)過(guò)程中，你不可能同時(shí)放開(kāi)所有抓點(diǎn)，否則你會(huì)掉下去。

爬墻機(jī)器人也是如此，它使用多個(gè)吸附模塊，每次移動(dòng)時(shí)，至少保留部分吸附點(diǎn)牢固貼緊墻面，然后放開(kāi)其他吸附點(diǎn)進(jìn)行位移，當(dāng)新的吸附點(diǎn)穩(wěn)固后，再次交替釋放舊的吸附點(diǎn)。

當(dāng)然了，這個(gè)過(guò)程需要精確的時(shí)序控制和力學(xué)計(jì)算，以確保機(jī)器人在整個(gè)移動(dòng)過(guò)程中始終有牢固的“抓點(diǎn)”，在切換吸附點(diǎn)的那一瞬間不會(huì)產(chǎn)生振蕩和滑落。

另一個(gè)關(guān)鍵是運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的柔性驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)，由于爬墻機(jī)器人面對(duì)的墻面有時(shí)并不平整，甚至有弧度、凹槽或突起。

柔性驅(qū)動(dòng)的就是讓機(jī)器人能通過(guò)軟性材料、彈性元件或柔性關(guān)節(jié)，在遇到不平整的表面時(shí)，能像攀爬生物一樣靈活扭動(dòng)身體適應(yīng)環(huán)境。

在爬行過(guò)程中，柔性驅(qū)動(dòng)可根據(jù)傳感器的反饋快速調(diào)整驅(qū)動(dòng)力方向與大小，使機(jī)器人能夠在垂直方向上靈活轉(zhuǎn)向，避開(kāi)障礙或找到更適合吸附的區(qū)域。

柔性驅(qū)動(dòng)有很多種，有的采用類似于氣囊或柔性材質(zhì)的驅(qū)動(dòng)器，通過(guò)充氣或抽氣改變其形狀，類似于軟體機(jī)器人那樣彎曲變形，實(shí)現(xiàn)貼合墻面的動(dòng)作。

有的使用智能材料，如形狀記憶合金，通過(guò)溫度控制改變構(gòu)件的形變特性，使機(jī)器人像擁有肌肉和關(guān)節(jié)一樣，在柔性驅(qū)動(dòng)和吸附-移動(dòng)交替模式的雙重加持下，爬墻機(jī)器人就實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)適應(yīng)。

▲基于形狀記憶合金彈簧驅(qū)動(dòng)柔性脊柱的仿壁虎機(jī)器人

或許在未來(lái)，爬墻機(jī)器人將變得更加智能、更具適應(yīng)性，幫助人類到達(dá)危險(xiǎn)而不可及的垂直空間。

而這一切的基礎(chǔ)，正是看似不起眼但其實(shí)玄妙非常的吸附技術(shù)與運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，它們是一切垂直奇跡的真正背后推手。